近十年来,二维材料的蓬勃发展可谓日新月异,其种类从半金属(比如石墨烯)到半导体(比如过渡金属二硫化物)到绝缘体(比如六角氮化硼)都有涵盖。相比块体的材料,二维材料表现出许多的独特的优异性质,比如说单层石墨烯中电子的迁移率要远大于其母体材料石墨;对于单层的二硫化钼(MoS2)来说,晶格中心反演对称性的破缺使得谷自旋效应得以实现,而层间耦合的消失使其从母体的间接带隙半导体变成单层的直接带隙半导体。同时,许多二维材料的性质是由其层数决定的,比如BP, InSe的带隙随着层数连续可调。而这种层状的结构也决定了这些材料可以有不同的堆垛方式(2H,3R,Twisted-上下两层存在某个旋转角度堆垛),甚至可以将两种不同的材料以任意的角度进行堆垛。这些不同的堆垛方式又为二维材料增添了许多新的奇异的性质。而这些奇异的性质和层状材料之间的耦合作用密切相关的。拉曼光谱作为一种对样品无损害的,快速的光学方法,已经在二维材料的层数确认,堆垛方式,层间耦合等方面的研究被广泛应用。最初的研究主要是集中在高频拉曼模式上,这些高频模式反映的是层内原子间的相对振动,主要是由层内连接原子的化学键提供的回复力而不是由层与层之间的范德瓦尔斯作用力决定。因此,高频的拉曼模式对层间耦合作用不敏感,极大地限制了它们在准确的确认层数以及堆垛方式等方面的应用。而低频的剪切模和呼吸模反映的是单个层数作为一个整体,层与层之间的一个相对振动,剪切模和呼吸模分别是沿着平面的振动和垂直平面的振动。这些低频模式基本是由层间的范德瓦尔斯作用来决定的,从而使得这些低频模式在确定层数,堆垛方式等方面具有很大的优势。实际上,低频的剪切模和呼吸模已成功在石墨烯,过渡金属二硫化物以及各向异性的BP,ReS2等二维材料的层数确认,层间耦合,堆垛方式等研究上得到应用。同时在二维材料垂直异质结的堆垛方式,层间耦合等研究中也得到广泛应用。

最近,中国科学院半导体研究所谭平恒研究员,张俊研究员和美国伦斯勒理工学院Vicncent教授以及美国橡树林国家实验室的Liangbo Liang教授等合作,撰写了关于二维材料低频剪切模与呼吸模在层数确认,层间耦合研究以及堆垛方式指认等方面的综述论文,目前已被美国化学学会旗下期刊ACS Nano》在线发表(http://dx.doi.org/ 10.1021/acsnano.7b06551 Liangbo Liang博士、张俊研究员为该论文的共同贡献第一作者,谭平恒研究员和Vicncent教授为共同通讯作者。

该综述论文系统地总结了低频剪切模和呼吸模在表征二维材料的层数、层间耦合以及不同堆垛方式等方面的最新进展研究,分别从实验和理论两方面对二维材料低频振动模式的应用和对称性等方面作了详细的归纳解释。这些二维材料包括各向同性的石墨烯,过渡金属二硫化物等,各向异性的BPReS2等,以及垂直堆垛的异质结材料等。最后,作者们还从实验和理论两方面对低频剪切模和呼吸模后续的研究和应用作了进一步展望。该综述论文对从事二维材料领域研究和应用的科研和技术人员都具有重要的参考价值。

 

双层二维材料层间剪切模和呼吸模的示意图